Ядро и образ линейного оператора
Ядро линейного оператора
Ядро линейного оператора
Def. Ядром линейного оператора линейного пространства называется множество
Ссылка на оригинал
То есть это все те векторы, которые оператор обращает в нулевой вектор.
Образ линейного оператора
Образ линейного оператора
Def. Образом линейного оператора называется множество . Или просто: .
То есть это все те векторы, которые получаются в результате применения линейного оператора ко всем векторам линейного пространства. Если вспомнить, что линейный оператор это функция, то образ оператора это множество значений данной функции.
Ссылка на оригинал
Теорема 1. Ядро и образ линейного оператора как подпространства
Теорема. Ядро и образ линейного оператора как подпространства
Теорема
Ядро и образ линейного оператора линейного пространства являются подпространствами .
Доказательство.
Пусть 1. Тогда для произвольных выполнено:
т.е. и, согласно критерию подпространства, .
Теперь пусть 2. Тогда существуют такие, что и . Следовательно:
т.е. для вектора нашёлся прообраз, а значит и, по критерию, .
Ссылка на оригинал Footnotes
Теорема 2. Образ линейного оператора как линейная оболочка столбцов матрицы оператора
Теорема. Образ линейного оператора как линейная оболочка столбцов матрицы оператора
Очевидно, что для поиска базиса ядра оператора нужно решить однородную систему уравнений, соответствующую матрице оператора. Рассмотрим, как устроен образ.
Теорема
Образ линейного оператора представляет собой линейную оболочку столбцов матрицы данного оператора (в базис ).
Доказательство
Действительно, для
имеет место(линейность)
причём координаты векторов , , в базисе и есть столбцы матрицы оператора .
Ссылка на оригиналСледствие
Размерность образа и ядра
Размерность образа и ядра
Def. Размерность образа линейного оператора называется рангом этого оператора
Def. Размерность ядра линейного оператора называется дефектом этого оператора
Ссылка на оригинал
Примеры
Примеры ядра и базиса линейных операторов
Ссылка на оригиналПримеры
Пусть — линейный оператор проектирования на плоскость в .
В стандартном базисе имеем:
т.е. ядро .
Поскольку для любого выполнено , то
.
Проще говоря, образом оператора проекции на плоскость является сама эта плоскость.Пусть — оператор дифференцирования на .
Если — базис , то ,
т.е. ядро оператора образуют многочлены–константы.С другой стороны, для имеем
т.е. , образ оператора состоит из многочленов не выше второй степени.
Инъективный линейный оператор
Инъективный линейный оператор
Def. Линейный оператор называется инъективным, если разным векторам соответствуют разные образы при данном операторе.
Ссылка на оригинал
Теорема 3. Критерий инъективности линейного оператора
Теорема. Критерий инъективности линейного оператора
Теорема
Линейный оператор линейного пространства инъективен тогда и только тогда, когда 1
Доказательство.
Пусть инъективен. Если 1, то найдётся неравный нулевому элемент (нулевой в ядре есть всегда — поясните почему), такой что
что противоречит инъективности.
Обратно: пусть 1. Возьмём . Тогдат.е. . Следовательно, и элементы совпадают.
Ссылка на оригинал Footnotes
Теорема 4. Сохранение линейной независимости у образов
Теорема. Сохранение линейной независимости у образов
Теорема
Пусть — инъективный линейный оператор. Тогда для любых линейно независимых векторов их образы также линейно независимы.
Ссылка на оригиналДоказательство.
Возьмём линейно независимые векторы и запишем линейную комбинацию их образов:
Отсюда
а поскольку инъективен, то
Вследствие линейной независимости получаем для всех , а значит образы линейно независимы.
Теорема 5. Размерность суммы размерностей образа и ядра
Теорема. Размерность суммы размерностей образа и ядра
Теорема
Пусть — произвольный линейный оператор пространства . Тогда сумма размерностей образа и ядра равна размерности пространства:
Доказательство
Пусть 1; — базис ; — дополнение до базиса .
Рассмотрим векторы . Очевидно, что все они принадлежат 2. Покажем, что они образуют базис в .
Сначала проверим линейную независимость.или
т.е. 1
что невозможно, так как это линейная комбинация векторов, не принадлежащих ядру.
Следовательно,а поскольку базисные векторы линейно независимы, то и линейно независимы.
Теперь возьмём произвольный вектор 2
Вектор можно представить в виде суммы элементов ядра и элементов, не принадлежащих ядру:Тогда
т.е. любой элемент образа может быть представлен в виде линейной комбинации векторов .
Таким образом, оба условия базиса выполнены, и
Замечание
Свойство размерностей ядра и образа из теоремы не означает, что в сумме ядро и образ образуют всё пространство , т.е. в общем случае . 12
Рассмотрим пример:
Пусть — линейный оператор пространства и .
Во-первых, запишем матрицу этого оператора:, поскольку “обнуляются” только векторы, коллинеарные .
Образ линейного оператора — линейная оболочка столбцов его матрицы, т.е. .
Получаем, что , .Ссылка на оригинал Footnotes
Действия над линейными операторами
Умножение оператора на число
Умножение оператора на число
Def. Произведением оператора на число называется оператор, действующий по правилу для любого .
Ссылка на оригиналСвойства умножения оператора на число
Докажите самостоятельно.
Сумма линейных операторов
Сумма линейных операторов
Def. Суммой линейных операторов и называется функция, действующая по правилу для любого .
Ссылка на оригинал
Произведение линейных операторов
Произведение линейных операторов
Def. Произведением линейных операторов и называется Функция, действующая по правилу для любого .
Ссылка на оригинал
Обратный оператор
Обратимый и обратный операторы
Def. Если для оператора существует такой оператор , что , то оператор называется обратимым или невырожденным (в противном случае - вырожденным), а оператор называется обратным к .
Ссылка на оригинал
Теорема 6. Линейность суммы и произведения операторов
Теорема. Линейность суммы и произведения операторов
Теорема
Сумма и произведение операторов и пространства также являются линейными операторами
Ссылка на оригиналДоказательство
Для суммы доказательство очевидно.
Рассмотрим функцию , покажем, что она является линейным оператором пространства
Для умножения на число распишите самостоятельно
Теорема 7. Наличие матрицы оператора у функций сложения и умножения
Теорема. Наличие матрицы оператора у функций сложения и умножения
Теорема
Доказательство
Вычислим образы базисных векторов
а это и есть результат произведения матриц
Для сложения заметим, чтозначит матрица суммы равна сумме матриц
Следствие 1
Множество операторов линейного пространства образует абелеву группу относительно операции сложения
Проверьте выполнение четырёх свойств, предъявите нейтральный и обратный элементыСледствие 2
Умножение операторов в общем случае некоммутативно
Следствие 3
Замечание
Рассмотрим — множество всех операторов линейного пространства
На нём заданы операции сложения и умножения на число, причём относительно сложения оно образует группу (следствие 1), а перечисленные в начале лекции свойства умножения на число (вкупе с очевидным ) обеспечивают выполнение аксиом 5–8 линейного пространства
Таким образом, — ещё один пример линейного пространства над тем же полем, что и
Очевидно, что оно изоморфно пространству квадратных матриц порядка .
Исходя из этого, легко подобрать базис и определить его размерностьСсылка на оригинал Footnotes
Теорема 8. Аннулирующий многочлен
Теорема. Аннулирующий многочлен
Теперь рассмотрим многочлен от линейных операторов:
где - произвольный линейный оператор, а - тождественный линейный оператор (считаем, что )
Аналогично для многочлена от матриц (только с матрицей вместо тождественного оператора)
Теорема
Доказательство
Множество матриц порядка образует линейное пространство размерности , следовательно любые матрицы линейно зависимы
Иначе говоря, для любой матрицы существует аннулирующий многочлен степени , такой что 1Замечание
На самом деле существует многочлен степени . Этот факт утверждает теорема Гамильтона–Кэли, о том, что это за многочлен, будет сказано позднее (см. лекцию о собственных числах)
Ссылка на оригинал Footnotes
Инвариантные подпространства
Инвариантное подпространство
Def. Подпространство называется инвариантным относительно линейного оператора , если , иначе говоря, .
- Линейный оператор на иСсылка на оригиналПримеры
Тривиальные случаи: и само
— оператор поворота геометрического пространства векторов на угол вокруг оси
Инвариантной является плоскость , перпендикулярная оси
Сама ось вращения является инвариантной, более того — неподвижной, так как при таком вращении все её точки остаются на месте, а значит и векторы
У оператора дифференцирования , действующего на пространстве , инвариантными являются все подпространства при
При этом не будут инвариантными, например, подпространства , состоящие из всех многочленов, имеющих корень :
Теорема 9. Ядро и образ инвариантные подпространства
Теорема. Ядро и образ инвариантные подпространства
Теорема
Подпространства 1 и 2 являются инвариантными
Доказательство
Ссылка на оригинал Footnotes
Сужение оператора на инвариантное подпространство
Сужение оператора на инвариантное подпространство
Def. Сужением оператора на Инвариантное подпространство называется Линейный оператор , при котором для любого
Ссылка на оригинал
Свойства инвариантных подпространств
Свойства инвариантных подпространств
Ссылка на оригиналСвойства
Если — инвариантное подпространство относительно обратимого оператора линейного пространства , то его сужение также обратимо.
Если — инвариантные подпространства относительно линейного оператора , то их пересечение и сумма также инвариантны.
- Для :
.- Для :
, где . Тогда
Теорема 10. Матрица оператора в базисе из векторов инвариантных подпространств
Теорема. Матрица оператора в базисе из векторов инвариантных подпространств
Теорема
Пусть — инвариантное относительно оператора подпространство пространства и 1.
Тогда существует базис линейного пространства , в котором матрица оператора имеет вид:где — матрица сужения оператора на подпространство , — нулевая матрица размера , и — матрицы размеров и соответственно.
И наоборот: если в некотором базисе матрица оператора имеет нулевой угол (нулевую матрицу размера ), то оператор имеет -мерное Инвариантное подпространство.
Доказательство
Дополним базис подпространства до базиса векторами .
Тогда для любогоСледовательно, первые столбцов матрицы оператора в этом базисе будут иметь последние элементов равными нулю.
Обратное утверждение доказывается теми же рассуждениями в обратном порядке.
Следствие
Если -мерное пространство распадается в прямую сумму ненулевых инвариантных подпространств
то существует базис, в котором матрица оператора имеет блочно-диагональный вид:
где — матрица сужения на , .
Пример
Рассмотрим оператор поворота вокруг оси . Пусть
В базис матрица оператора имеет вид:
Замечание
Эта матрица ортогональна.
Ссылка на оригинал Footnotes
По итогам лекции нужно знать:
-
Понятия:
-
Умножение оператора на число, сумма и произведение операторов
-
Матрица оператора в базисе из векторов инвариантных подпространств
-
Основные теоретические факты с доказательствами